JP2009175079A - Angular velocity sensor - Google Patents
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本発明は、検出電極と駆動電極間に発生する静電力を利用して検出電極を振動させることにより角速度を検出する角速度センサに関する。 The present invention relates to an angular velocity sensor that detects an angular velocity by vibrating a detection electrode using an electrostatic force generated between the detection electrode and a drive electrode.
従来より、駆動電極により検出電極をY軸方向に振動させ、X軸回りの角速度ωが与えられるのに応じて検出電極が受ける振動方向(Y軸方向)に対し垂直方向(Z軸方向)のコリオリ力を検出することにより角速度を検出する振動型の角速度センサが知られている。このような角速度センサの中には、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を利用することにより、検出電極と駆動電極の対向面に櫛歯電極を形成したものがある。この角速度センサでは、櫛歯電極間に電圧を印加し、電圧の印加に伴い櫛歯電極間に発生する静電力を利用して検出電極を駆動する。
櫛歯電極間に発生する静電力を利用した角速度センサでは、検出電極を振動させるために大きな静電力が必要になることから櫛歯電極間は数μm以下に近接配置されている。このため、従来の角速度センサでは、櫛歯電極同士が接触することを抑制するために検出電極の振動振幅が櫛歯電極間のギャップ長に制限され、検出電極の振動振幅を大きくすることが困難であった。また検出電極を振動させることにより角速度を検出する角速度センサでは、センサ自体に検出方向からの外力(加速度)が加えられた場合、あたかもコリオリ力を検出したかのように検出電極が振動してしまう。こうした誤動作は、センサ精度の劣化を招くため、検出方向の力による影響を低減する構造、例えば力による影響を受けづらい構造(例:剛性を高める)設計が必要であった。これはコリオリ力を検出する感度も低下させてしまい、その結果、センサ特性の低下を招いていた。 In the angular velocity sensor using the electrostatic force generated between the comb-tooth electrodes, a large electrostatic force is required to vibrate the detection electrode. For this reason, in the conventional angular velocity sensor, the vibration amplitude of the detection electrode is limited to the gap length between the comb electrodes in order to suppress contact between the comb electrodes, and it is difficult to increase the vibration amplitude of the detection electrode. Met. Further, in an angular velocity sensor that detects an angular velocity by vibrating the detection electrode, when an external force (acceleration) from the detection direction is applied to the sensor itself, the detection electrode vibrates as if the Coriolis force was detected. . Such a malfunction causes deterioration in sensor accuracy, and thus a structure that reduces the influence of the force in the detection direction, for example, a structure that is not easily affected by the force (eg, increases rigidity) is required. This also decreases the sensitivity for detecting the Coriolis force, resulting in a decrease in sensor characteristics.
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、櫛歯電極間のギャップ長に制限されることなく検出電極の振動振幅を大きくすることが可能、且つ、検出方向からの外力による影響を無効にできる角速度センサを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can increase the vibration amplitude of the detection electrode without being limited by the gap length between the comb-teeth electrodes, and can be influenced by an external force from the detection direction. It is an object of the present invention to provide an angular velocity sensor that can invalidate the above.
本発明に係る角速度センサは、検出電極と駆動電極とを有し、駆動電極により検出電極を振動させ、角速度が与えられるのに伴い検出電極に加わる力を検出することにより角速度を検出する角速度センサにおいて、駆動電極は、検出電極の振動量を増幅する振動量増幅機構を介して検出電極を揺動自在に支持する可動部材と、可動部材に対向する対向面を有する固定部材と、可動部材と固定部材の対向面に互いに噛み合うように形成された櫛歯電極とを有し、可動部材と固定部材の櫛歯電極間に電圧を印加することにより櫛歯電極間に発生する静電力を利用して検出電極を振動させ、振動量増幅機構は、長手方向端部が梁を介して検出電極及び可動部材に接続された本体部と、本体部の長手方向中心位置よりも可動部材側の位置において本体部を固定する固定部とを有する。 An angular velocity sensor according to the present invention has a detection electrode and a drive electrode, vibrates the detection electrode by the drive electrode, and detects an angular velocity by detecting a force applied to the detection electrode as the angular velocity is applied. The drive electrode includes a movable member that swingably supports the detection electrode via a vibration amount amplification mechanism that amplifies the vibration amount of the detection electrode, a fixed member that has a facing surface facing the movable member, and a movable member. Comb electrodes formed so as to mesh with each other on the opposing surface of the fixed member, and the electrostatic force generated between the comb electrodes is applied by applying a voltage between the movable member and the comb electrodes of the fixed member. The vibration amount amplifying mechanism is configured such that the longitudinal end portion is connected to the detection electrode and the movable member via the beam, and the position closer to the movable member than the longitudinal center position of the main body portion. Body And a fixing unit for fixing the.
本発明に係る角速度センサによれば、櫛歯電極間のギャップ長に制限されることなく検出電極の振動振幅を大きくすることができると共に検出方向からの外力による影響を無効にできる。 According to the angular velocity sensor of the present invention, the vibration amplitude of the detection electrode can be increased without being limited by the gap length between the comb electrodes, and the influence of the external force from the detection direction can be nullified.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる角速度センサについて説明する。 Hereinafter, an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
〔第1の実施形態〕
本発明の第1の実施形態となる角速度センサ1は、図1(a),(b)に示すように、矩形形状の可動側検出電極2と、Z軸方向(紙面垂直方向)において可動側検出電極2に対向する矩形形状の固定側検出電極3と、固定部材4aと可動部材4bとからなる駆動電極とを有し、駆動電極により可動側検出電極2をY軸方向に振動させ、X軸方向回りの角速度ωが与えられるのに伴う検出電極2のZ軸方向の変位を可動電極検出電極2と固定側検出電極3間の静電容量の変化として検出することにより、X軸方向回りの角速度ωを検出する。可動側検出電極2のX軸方向側面部は梁5a〜5dを介して角速度センサ1の上下面を挟持する図示しないガラス基板に接合されている。可動側検出電極2のY軸方向側面部には梁6a〜6dを介してX軸方向に伸びる板形状の振動量増幅機構(本体部)7a〜7dの長手方向一方端が接合され、振動量増幅機構7a〜7dの長手方向他方端は梁10a〜10dを介して可動部材4bに接合されている。
[First Embodiment]
As shown in FIGS. 1A and 1B, the
固定部材4aは、可動部材4bと対向する対向面に櫛歯電極8aを備える。可動部材4bは、固定部材4a側に設けられた櫛歯電極8aと噛み合うように形成された櫛歯電極8bを有する。本実施形態において可動部材4bは、枠体形状を有し、梁10a〜10d,振動量増幅機構7a〜7d,及び梁6a〜6dを介して可動側検出電極2を枠体内において揺動自在に支持する。可動部材4bのX軸方向側面部は梁9a〜9dを介して角速度センサ1の上下面を挟持する図示しないガラス基板に接合されている。駆動電極は、固定部材4aと可動部材4bの櫛歯電極8a,8b間に電圧を印加することにより櫛歯電極8a,8b間に発生する静電力を利用して可動部材4aを介して可動側検出電極2を振動させる。
The fixed
振動量増幅機構7a〜7dは、長手方向中心位置よりも可動部材4b側の位置において梁11a〜11d及び梁12a〜12d(固定部)を介して角速度センサ1の上下面を挟持する図示しないガラス基板に接合されている。このような構成によれば、可動部材4bに振幅Asin(ωt+α)の振動が与えられた場合、可動側検出電極2側の長手方向端部の振動振幅Bは図2に示すように可動部材4b側の長手方向端部と梁11c,12c間のX軸方向距離L1と可動側検出電極2側の長手方向端部と梁11c,12c間のx軸方向距離L2(>L1)の比(L2/L1)だけ増幅される。これにより、可動側検出電極2は−(L2/L1)×Asin(ωt+α)の振幅で振動するようになる。従って本発明の第1の実施形態となる角速度センサ1によれば、櫛歯電極8a,8b間のギャップ長に制限されることなく可動側検出電極2の振動振幅を大きくできる。
The vibration
また本発明の第1の実施形態となる角速度センサ1によれば、可動部材4bと可動側検出電極2は、振動方向が逆位相となるため、センサ自体が角速度を受けた場合、可動部4bと可動側検出電極2は、それぞれ逆方向にコリオリ力を受け、それぞれ逆方向へ振動する。一方、センサ自体に検出方向からの外力(加速度)を受けた場合には、可動部4bと可動側検出電極2は、同方向に力を受けるため、同方向へ振動する。従ってこの振動の違いを検出し、信号処理回路により無効とすることで、検出方向からの外力(加速度)による影響を無効にすることができる。また本実施形態では、振動量増幅機構7a〜7dは枠体である可動部材4bにより連結されているので、駆動電極を駆動する際に生じる振動量増幅機構7a〜7dにおける同期誤差(偏心動作)を改善できる。
Further, according to the
〔第2の実施形態〕
次に、図3を参照して、本発明の第2の実施形態となる角速度センサの構成について説明する。
[Second Embodiment]
Next, the configuration of the angular velocity sensor according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
本実施形態では、可動部材4bは、枠体形状ではなく、図3に示すようにX軸方向側面部を除去することによりを2つの部材4ba,4bbにより構成され、部材4ba,4bbの固定部材4aに対向する対向面に櫛歯電極8bが形成されている。また同位相で振動する振動増幅機構7a,7bは部材4baを介して連結され、同様に同位相で振動する振動増幅機構7c,7dは部材4bbを介して連結されている。このような構成によれば、同位相での加振における振動増幅機構7aと振動増幅機構7b間及び振動増幅機構7cと振動増幅機構7d間の同期誤差(偏心動作)を低減することができる。
In this embodiment, the
〔第3の実施形態〕
最後に、図4を参照して、本発明の第3の実施形態となる角速度センサの構成について説明する。
[Third Embodiment]
Finally, with reference to FIG. 4, the configuration of an angular velocity sensor according to the third embodiment of the present invention will be described.
本実施形態では、梁6a〜6dと可動側検出電極2間にそれぞれ振動量増幅機構7e〜7h及び梁6e〜6fを挿入することにより振動量増幅機構が2段により構成されている。このような構成によれば、1段目の振動量増幅機構7a〜7dにより増幅された振動量が振動量増幅機構7e〜7hにおいてさらに増幅されるので、検出感度を飛躍的に向上させることができる。なお本実施形態では振動量増幅機構は2段構成であったが3段以上の構成としてもよい。
In the present embodiment, the vibration amount amplifying mechanism is configured in two stages by inserting vibration
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば可動側検出電極2,振動量増幅機構7a〜7d,及び可動部材4bを含む構造体の振動方向(Y軸方向)及び検出方向(Z軸方向)共振周波数を一致又は近づけることにより、コリオリ力の検出感度を高めるようにしてもよい。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論である。
As mentioned above, although embodiment which applied the invention made by the present inventors was described, this invention is not limited by description and drawing which make a part of indication of this invention by this embodiment. For example, the Coriolis force is obtained by making the vibration frequency (Y-axis direction) and detection direction (Z-axis direction) resonance frequency of the structure including the movable-
1:角速度センサ
2:可動側検出電極
3:固定側検出電極
4a:固定部材
4b:可動部材
5a〜5d,6a〜6d,9a〜9d,11a〜11h,12a〜12h:梁
7a〜7d:振動量増幅機構
8a,8b:櫛歯電極
1: Angular velocity sensor 2: Movable detection electrode 3: Fixed
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JP2008016238A JP2009175079A (en) | 2008-01-28 | 2008-01-28 | Angular velocity sensor |
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